C#上位机开发源码上位机项目源代码采用基于RS485通讯总线的ModbusRtu协议

C#上位机开发源码上位机项目源代码采用基于RS485通讯总线的ModbusRtu协议，支持用户权限管理、sqlite数据库、实时曲线、历史曲线、历史报表、导出Excel、主界面布局可调带记忆等功能

一、项目概述

本上位机项目基于 C# 开发，采用 RS485 通讯总线的 Modbus RTU 协议实现工业设备数据采集与监控。核心定位为工业级数据管理平台，支持用户权限管控、多维度数据存储与可视化、历史数据追溯等关键功能，适用于自动化生产线、环境监测、设备运维等工业场景。项目架构清晰，模块化设计突出，具备良好的扩展性与易用性，主界面布局支持自定义调整并记忆配置，满足不同用户的操作习惯。

二、核心技术栈与协议基础

（一）核心技术栈

开发语言：C#（.NET Framework 4.0）
通讯协议：Modbus RTU（基于 RS485 总线）
数据存储：SQLite 数据库（轻量级嵌入式数据库，无需额外部署）
可视化组件：Windows Forms DataVisualization.Charting（实时/历史曲线绘制）
辅助技术：log4net（日志记录）、Excel 导出（数据备份与分享）

（二）Modbus RTU 协议实现

项目基于 NModbus 框架扩展实现 Modbus RTU 协议交互，核心支持以下功能码：

功能码 1（Read Coils）：读取线圈状态（离散量输入）
功能码 2（Read Inputs）：读取离散输入状态
功能码 3（Read Holding Registers）：读取保持寄存器（模拟量数据）
功能码 4（Read Input Registers）：读取输入寄存器
功能码 5（Write Single Coil）：写入单个线圈
功能码 6（Write Single Register）：写入单个寄存器
功能码 15（Write Multiple Coils）：批量写入线圈
功能码 16（Write Multiple Registers）：批量写入寄存器
功能码 23（Read Write Multiple Registers）：读写混合操作

通讯参数支持灵活配置，包括串口端口、波特率（110~256000）、奇偶校验（None/Even/Odd 等）、数据位（5~8）、停止位（0~2），适配不同工业设备的通讯要求。

三、项目架构与核心模块

项目采用分层设计思想，整体分为通讯层、数据层、业务逻辑层、UI 层四大核心模块，各模块职责清晰、低耦合，便于维护与扩展。

（一）通讯层：Modbus 协议交互核心

通讯层是上位机与下位机（工业设备）交互的核心，封装了 Modbus RTU/TCP 协议的底层实现，主要包含以下关键类：

1. Modbus 协议基础类（Modbus/Modbus.cs）

定义 Modbus 协议核心常量，包括功能码、默认配置（超时时间 1000ms、重试次数 3 次）、数据长度限制（离散量最大 2040 点、寄存器最大 127 个）等，为整个通讯层提供基础配置支撑。

2. 串口/网络适配类

SerialPortAdapter.cs：串口通讯适配，封装 SerialPort 类的读写操作、超时设置、缓冲区清理等功能，为 Modbus RTU 协议提供物理层支持。
TcpStreamAdapter.cs：TCP 流适配，支持 Modbus TCP 协议的网络数据流读写，兼容网络型 Modbus 设备。

3. 传输层实现

ModbusRtuTransport.cs：Modbus RTU 协议传输核心，负责 RTU 帧的构建（添加 CRC 校验）、解析（CRC 校验验证）、请求/响应数据的读写。核心方法包括：
BuildMessageFrame：构建 RTU 消息帧（从站地址 + PDU + CRC 校验）。
ReadRequest/ReadResponse：读取设备请求/响应数据，支持帧长度动态计算。
ChecksumsMatch：验证 CRC 校验值，确保数据传输完整性。
ModbusTcpTransport.cs：Modbus TCP 协议传输实现，支持 MBAP 头部构建与解析，适用于网络环境下的 Modbus 设备通讯。

4. 主从设备交互类

ModbusSerialMaster.cs：RTU 主站（上位机）核心类，提供设备数据读写的上层 API，如ReadCoils（读取线圈）、WriteSingleRegister（写入单个寄存器）等，开发者可直接调用实现设备交互。
ModbusSerialSlave.cs：RTU 从站模拟类（可选），支持模拟工业设备响应，便于开发测试。

5. 自定义通讯封装（MyModbusMaster.cs）

项目扩展的 Modbus 主站封装类，集成串口连接管理、数据接收缓存等功能，为业务层提供统一的设备通讯接口，简化数据采集流程。

（二）数据层：数据存储与管理

数据层负责数据的持久化存储、缓存与检索，核心基于 SQLite 数据库，支持实时数据、历史数据、报警记录、用户信息的全生命周期管理。

1. 数据库操作工具（SQLLiteHelp.cs）

封装 SQLite 数据库的核心操作，包括查询（GetDataSet）、增删改（Update）等方法，简化 SQL 语句执行流程，避免重复编码。支持的数据表设计如下：

TB_DataRecord：实时/历史数据表，存储设备采集的模拟量、离散量数据，字段包含采集时间、21 个监测参数值。
TB_AlarmRecord：报警记录表，存储报警发生/消失时间、报警类型、报警描述。
UserManagement：用户信息表，存储用户名、密码、角色（管理员/普通用户）。

2. 数据模型类

DeviceData.cs：设备数据模型，包含参数名称、数据值、单位、采集时间等字段，用于内存中数据缓存与 UI 绑定。
AlarmInfo.cs：报警信息模型，记录报警名称、报警状态（发生/消失）。
UserInfo.cs：用户信息模型，存储用户 ID、密码、角色，支撑权限管理功能。

3. 数据缓存与处理

DataStore.cs：设备内存映射模拟类，缓存线圈、离散输入、保持寄存器、输入寄存器数据，提供ReadData（数据读取）、WriteData（数据写入）静态方法，支持数据分片读写与边界校验。
DataStoreFactory.cs：数据存储工厂类，提供默认数据存储（全 0 初始化）和测试数据存储（模拟数据填充）的创建方法，便于开发测试与生产环境切换。

（三）业务逻辑层：核心功能实现

业务逻辑层封装了上位机的核心业务功能，包括用户权限管理、数据采集与解析、报警处理、报表生成等，是连接通讯层与 UI 层的桥梁。

1. 用户权限管理

权限控制核心：通过UserInfo类记录用户角色，在主界面（FrmMain.cs）中根据角色动态启用/禁用功能（如管理员可修改用户，普通用户无此权限）。
用户操作功能：
登录验证（FrmLogin.cs）：查询UserManagement表，验证用户名/密码合法性。
用户管理（FrmChangeUser.cs）：管理员可新增/删除普通用户，支持用户名唯一性校验。
密码修改（FrmChangePwd.cs）：验证原密码后更新密码，确保账户安全性。

2. 数据采集与处理

实时采集：通过Timer组件（FrmMain.cs）定时（默认 500ms）调用MyModbusMaster的数据读取方法，采集设备数据并缓存至LiveData数组。
数据解析：将采集到的寄存器/线圈数据解析为业务可识别的监测参数值，支持离散量（报警状态）通过BitArray解析为具体报警项。
数据存储：实时数据写入TBDataRecord表，支持历史数据追溯；报警数据写入TBAlarmRecord表，记录报警生命周期。

3. 报警处理

报警识别：通过BitArray解析设备上报的离散量数据，识别报警发生/消失状态（FrmShowAlarm.cs）。
报警通知：报警状态变化时，更新 UI 报警列表（ListBox）并写入日志，支持报警信息持久化存储。
报警清理：支持手动清理报警列表（工具菜单 -> 清除故障信息）。

4. 报表与曲线生成

历史报表：FrmReportQuery.cs 支持按时间范围查询历史数据，通过DataGridView展示，并提供 Excel 导出功能（支持 .xls 格式，包含表头与数据内容）。
实时曲线：FrmShowChart.cs 基于Chart组件绘制实时数据曲线，支持数据点自动滚动（最多保留 100 个历史点），曲线样式（颜色、线宽、类型）可配置。
历史曲线：FrmSeriesQuery.cs 支持按时间范围、指定参数查询历史数据，绘制多维度历史曲线，支持曲线图片导出（.png 格式）。

（四）UI 层：用户交互界面

UI 层基于 Windows Forms 开发，提供直观、易用的用户交互界面，核心功能包括主界面布局、子功能窗口、交互控件等。

1. 主界面（FrmMain.cs）

布局管理：采用 MDI 容器设计，包含数据展示、曲线展示、故障信息、日志信息 4 个子窗口，支持窗口位置、大小自定义调整，关闭时自动保存布局配置（序列化到 obj.obj 文件），下次启动自动恢复。
菜单功能：
用户管理：登录验证、用户新增/删除、密码修改。
串口控制：串口参数配置、打开/关闭串口。
数据查询：历史报表、历史曲线查询。
工具：报警信息清理、数据导出。

2. 核心子窗口

FrmShowData.cs：数据展示窗口，通过DataGridView绑定实时采集的设备参数，支持数据实时刷新。
FrmShowAlarm.cs：故障信息窗口，通过ListBox展示当前活跃报警，报警状态变化时自动更新。
FrmShowInfo.cs：日志信息窗口，记录系统操作（串口开关、报警变化）、错误信息，支持日志滚动查看。
FrmShowChart.cs：实时曲线窗口，动态绘制指定参数的实时变化趋势，支持曲线样式配置。

3. 辅助窗口

FrmPortSelect.cs：串口配置窗口，支持串口端口、波特率、奇偶校验等参数选择，为 Modbus RTU 通讯提供配置入口。
FrmTimeSelect.cs：时间选择窗口，支持历史数据/曲线查询的时间范围指定（起始时间、结束时间）。
FrmChartDataSelect.cs：曲线数据选择窗口，支持多参数选择，绘制多维度历史曲线。

四、关键功能详细说明

（一）用户权限管理

权限分级：分为管理员和普通用户两级权限：
- 管理员：可进行用户新增/删除、密码修改、所有数据查询与导出。
- 普通用户：仅可进行密码修改、数据查看，无用户管理权限。
登录流程：
- 用户输入用户名/密码，调用UserQuery方法查询 SQLite 数据库。
- 验证通过后，将用户信息存入CommonMethods.LoginUser静态变量，全局共享。
- 主界面标题栏显示当前登录用户及权限，动态启用/禁用菜单功能。

（二）数据采集与存储

采集流程：
- 串口配置完成后，调用ModbusSerialMaster.CreateRtu创建 RTU 主站实例。
- 定时器定时调用ReadCoils/ReadHoldingRegisters等方法读取设备数据。
- 数据解析后，更新内存缓存LiveData并写入 SQLite 数据库。
数据存储特性：
- 实时数据：采集时间精确到毫秒，确保数据时序准确性。
- 历史数据：支持按时间范围查询，支持 Excel 导出（包含表头、数据，编码为 gb2312 兼容中文）。
- 报警数据：记录报警发生/消失时间，支持报警追溯。

（三）曲线可视化

实时曲线：
- 基于Chart组件的Spline类型（样条曲线），支持线宽 2px、红色显示。
- 数据点缓存队列Q1最多保留 100 个数据点，超出自动移除最早数据，实现曲线滚动。
- 坐标轴范围固定（X 轴 1-100，Y 轴 0-2000），确保曲线展示稳定性。
历史曲线：
- 支持多参数同时展示（最多 5 个参数，不同颜色区分）。
- 支持时间范围自定义，数据从 SQLite 数据库查询。
- 支持曲线图片导出，便于报告生成与数据分享。